Femtoszekundumos impulzusok alakformálása

Az optikában a femtoszekundumos impulzusok alakformálása^[1] egy olyan technológia, amely az ultrarövid (mintegy 10⁻¹⁵ másodperc hosszúságú) lézerimpulzusok változó tulajdonságait módosítja. Az impulzus-alakformálás során célként jelenhet meg az optikai impulzus rövidítése vagy meghosszabbítása, de bonyolultabb impulzusok generálása is megvalósulhat.

Bevezetés

1. ábra: Az impulzusformáló sematikus rajza

Az ultrarövid optikai impulzussorozatok generálása kulcsfontosságú az ultragyors optikai hálózatok megvalósításában. Erre példák az Optical Code Division Multiple Access rendszerek (Optical Code Division Multiple Access (OCDMA), vagyis a minden vevő hozzáférésén alapuló kódosztásos optikai multiplexelési technika, lásd még: CDMA), kémiai és biológiai reakciók triggerelése és monitorozása stb. Az impulzusformáló berendezés tervezésekor számításba kell venni, hogy a kívánt eredmény a bemenő impulzus megnyújtása, rövidítése vagy impulzussorozattá alakítása-e. Impulzussorozatok generálása femtoszekundumos vagy pikoszekundumos elválasztással az optikai információ igen nagy sebességű továbbítását is magába foglalja.

Technikák

Az impulzusformálót egy modulátorként tudjuk elképzelni. A bemenő impulzust megszorozzuk egy moduláló függvénnyel, hogy a kívánt kimenő impulzust kapjuk. A moduláló függvény lehet az idő vagy a frekvencia függvénye is (melyet az impulzus időprofiljának Fourier-transzformációjából kaphatunk). Ez kétféle ismert femtoszekundumos impulzus-alakformáló technikát eredményez:

a) Közvetlen tér-idő megfeleltetésen alapuló impulzus-alakformálás (Direct space-to-time Pulse Shaping, továbbiakban DST-PS)
b) Fourier-transzformációval történő impulzus-alakformálás (Fourier transform Pulse Shaping, továbbiakban FT-PS)

Közvetlen tér-idő megfeleltetésen alapuló impulzus-alakformálás

A DST-PS módszerben a kimenő impulzussorozat egyenesen arányos a rendszer moduláló függvényével. Feleljen meg egy optikai impulzus jelenléte 1, hiánya 0 értékeknek. Ekkor az impulzusok közlésével vagy kihagyásával információ szállítható, amely így egy egyesekből és nullákból álló jelsorozat lesz. A DST-PS jellemzője, hogy a moduláló függvény bármilyen kívánt kimenő jelsorozat esetén azonos. Például, ha a rendszer moduláló függvénye binárisan 1101, a kimenő optikai impulzus-jelsorozat is 1101 lesz.

Fourier-transzformációval történő impulzus-alakformálás

Ellentétben a DST-PS módszerrel a FT-PS során olyan moduláló függvényt használunk, amely a kívánt sorozatnak Fourier-transzformáltja. Ez magával vonja, hogy egy meghatározott időbeli impulzussorozatnak a moduláló függvény a Fourier-transzformáltja a frekvencia szerint. Ezt a technológiát azért használjuk, mert az optikában egy lencse a bemenő fény Fourier-transzformáltját állítja elő. Egy tipikus FT-PS a bemenő lézerből, a Fourier-transzformációt végző lencséből (az idő-információ frekvencia-információvá alakítása), egy moduláló függvényből (ami lehet fázis- vagy intenzitásmoduláció) és egy második lencséből áll, amely egy második Fourier-transzformációt végez (a frekvenciában tárolt információt visszaalakítja időben tárolt információvá). Az FT-PS során egy meghatározott kimenő jel eléréséhez a moduláló függvény egyszerűen annak Fourier-transzformáltja.

Az FT-PS részletei

Egy jól definiált $E(t)$ elektromos térrel rendelkező ultrarövid impulzus egy megfelelő, frekvenciában ható szűrővel módosítható. Matematikailag Fourier-transzformált, szűrt és visszaalakított impulzus alkotja az új impulzust:

E'(t)={\mathcal {F}}^{-1}\{{\mathcal {F}}\{E(t)\}(\omega )f(\omega )\}(t).

Olyan optikai elrendezés is elképzelhető, amely egy tetszőleges, akár komplex értékű $f(\omega )$ szűrőfüggvényt tartalmaz, amíg $|f(\omega )|\leq 1$ . Az 1. ábra bemutatja, hogyan lehet egy sávszélesség-korlátozott impulzust egy chirp-elt impulzussá alakítani (olyan szűrő segítségével, amely csak a fázisra hat) vagy egy még bonyolultabb impulzussá (egy olyan szűrővel, amely a fázisra és az amplitúdóra is hat).

Optikai tervezés

Alapelvek

Általában az impulzus-alakformáló egy 4f konfigurációjú impulzusnyújtón alapszik, amelyben a nyújtó éppen nem nyújtja és nem is rövidíti a beérkező impulzust. Ezt mutatja be a 2. ábra. Egy diffrakciós rács a különböző frekvenciájú (hullámhosszú) komponenseket különböző irányokba irányítja, és minden frekvenciakomponens a fókuszsík egy meghatározott pontjába fókuszálódik. Egy második rács és egy tükör újra egyesíti a különböző frekvenciakomponenseket. A két lencse fókusztávolsága f, és az első rács közepének a második rács közepétől vett távolsága $4f$ .

A fókuszsíkban a nem kívánt frekvenciakomponensek könnyen blokkolhatók, amely egy valós értékű szűrőfüggvényt jelent, amely a frekvenciát nem befolyásolja.

Annak érdekében, hogy a szűrő a frekvenciakomponenseket befolyásolja, használhatunk egy átlátszó anyagból készült, változó vastagságú lapot. Így egy frekvencia-függő késleltetést alkalmazunk, amint a 3. ábra is mutatja. Felvetődhetne, hogy nagyobb hullámhosszúság mellett a rendszerben további eltolás lép fel (az ábrán vörös szín jelzi), ám a valóságban az impulzus együttesen rövidebb utat tesz meg, mivel a fény kevesebb utat tesz meg a jobb szélső rácsig. Ez összhangban van azzal a ténnyel, hogy egy $f(\omega )=\exp(i\omega \tau )$ Fourier-szűrő (lineáris fázistolás) ekvivalens egy $\tau$ idő-eltolással.

Az impulzus alakjának még érdekesebb formálására négyzetes, vagy magasabb rendű fázistolást kell alkalmazni, mint ahogyan a 4. és 5. ábrák mutatják.

Aktív szűrők

A fenti példákban statikus szűrők működnek. A folyadékkristályos technológiával tetszőleges szűrőket is alkalmazhatunk, amelyek fázis- és amplitudóspektrumát számítógép segítségével állíthatjuk be. A Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan (MIIPS) egy, a számítógép-vezérlésű térbeli fénymoduláló eszköz visszacsatolt fázis-vezérlésén alapszik. Ebben az esetben a fókuszsíkban elhelyezett statikus fázistoló eszköz helyett elektronikusan változtatható fázistolású térbeli fénymodulátort alkalmazunk. A klasszikus folyadékkristályos alakformáló kimenetét egy nemlineáris kristállyal és egy spektrométerrel vizsgáljuk, amelyek kimenetét használjuk a folyadékkristályos alakformáló frekvenciafüggő fázistolásának optimalizálására. Ezzel a módszerrel alakítani és jellemezni is tudjuk az impulzust, például optimalizált csúcsenergia és vagy az adott spektrummal elérhető legrövidebb impulzus (Transform-Limited pulse) eléréséhez. Ez a technológia egy egyszerű optikai elrendezésben, mozgó elemek nélkül teszi lehetővé az ultrarövid impulzus teljes kalibrációját és kontrollját.

Egy másik lehetőség az akuszto-optikai eszközökkel módosítja az impulzusok alakját. A gyakorlatban kétféle konstrukcióra van példa. Az egyikben a hang- és fényimpulzusok csoportsebessége párhuzamos, és a különböző frekvenciájú hangkomponensek fázisai közvetlenül a megfelelő frekvenciájú fénykomponensek fázisait tolják el. Ilyen például a Dazzler, amelynek problematikája az impulzus-ismétlődési frekvencia, amelynek a hangsebesség szab korlátot. A másik konstrukcióban az akuszto-optikai elem nagyfrekvenciájú lézeroszcillátorokkal is alkalmazható, mert a hangsebesség nem korlátoz, hiszen a hang és a fény csoportsebessége nem párhuzamos. Itt több keskenysávú akusztikus frekvencia-csatornát alkalmazunk, amelyek fázisa egymástól függetlenül állítható és együttesen lefedik a lézerimpulzus spektrumát. Jó példa erre a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen is kutatott többfrekvenciás, nemkollineáris AO szűrőt alkalmazó rendszer. [1]

Tervezés egyszeres és kétszeres áthaladással

A fenti elrendezésben a fény mindkét rácsot kétszer érinti. Sok alkalmazásban a jobb oldali visszareflektáló tükröt elhagyják, ami a rendszert egyszerűsíti. Egy ilyen egy utas elrendezés legfőbb hátránya abban áll, hogy a különböző frekvenciakomponensek térben nem fedik egymást, ahogyan a 4. és 5. ábrán is látható. Ugyanakkor számos alkalmazás ezt a térbeli szétválást tolerálja.

Hasonló technológiák

Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan (MIIPS) ezzel a módszerrel az ultrarövid impulzusok karakterizációjára és manipulálására van lehetőség.

Jegyzetek

↑ Weiner, A. M. (2000. május 1.). „Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators”. Review of Scientific Instruments 71 (5), 1929-1960. o. DOI:doi:10.1063/1.1150614. ISSN 00346748. (Hozzáférés: 2013. június 12.) ^{[halott link]}

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Femtosecond pulse shaping című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

További információk

Fastlite Ultrafast Scientific Instrumentation - Dazzler femtosecond puse shaper (Az Optikai jelfeldolgozás ismertetése tartalmazza az akuszto-optikai impulzus alakformálás sematikus ismertetését is.)
BME Atomfizika Tanszék, kutatási területek (Az Optikai jelfeldolgozás ismertetése tartalmazza az akuszto-optikai impulzus alakformálás sematikus ismertetését is.)

Ajánlott irodalom

Andrew M. Weiner. Ultrafast Optics. Wiley (2009). ISBN 978-0-471-41539-8

[1] Weiner, A. M. (2000. május 1.). „Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators”. Review of Scientific Instruments 71 (5), 1929-1960. o. DOI:doi:10.1063/1.1150614. ISSN 00346748. (Hozzáférés: 2013. június 12.) ^{[halott link]}

[1]